Научные основы радиоволновых методов и средствнеразрушающего контроля низкоимпедансных композиционных материалов

На правах рукописи

ДМИТРИЕНКО Герман Вячеславович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАДИОВОЛНОВЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

НИЗКОИМПЕДАНСНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.11.13 – Приборы и методы контроля
природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Северо-западном государственном заочном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Балашов Виктор Михайлович

доктор технических наук, профессор

Прокопенко Виктор Трофимович

доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель науки РФ

Мишин Валерий Алексеевич

Ведущая организация: ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Защита состоится 15 декабря 2009 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета (Санкт-Петербург).

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просьба направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.244.01 Ивановой И.В.

Автореферат разослан 12 ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Иванова И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодня активно разрабатываются и создаются различные виды неядерного электромагнитного оружия (ЭМО), основной целью которого является вывод из функционирования радиоэлектронных средств воздействием на радиотехническую аппаратуру мощными электромагнитными импульсами. С 1960х годов в США и СССР были приняты программы по обеспечению электромагнитной стойкости стратегических систем вооружений и военной техники: ракет, пусковых установок, самолетов РЛС и т.д. В 1980-1990 гг в США и СССР (России) начали проводиться исследования по созданию неядерного ЭМО высокой мощности и высокой направленности действия. Испытания такого ЭМО проводились в военных конфликтах в 1991г. в Ираке, в 1999г. в Югославии.

Для защиты от ЭМО в настоящее время происходит стремительное развитие технологий в области создания новых защитных радиопоглощающих материалов и покрытий для самолетной, космической и судостроительной промышленностей. Новые защитные радиопоглощающие материалы по своей основе композиционные материалы (КМ), которые имеют уникальные характеристики по отражению и поглощению электромагнитных волн. Как радиотехнические материалы они представляют интерес в качестве укрытий для защиты радиотехнической аппаратуры от радиоизлучения, и вызывает особенный интерес у разработчиков радиотехнической аппаратуры. Работы по КМ зарубежными фирмами ведутся с 60-х годов прошлого века. Интерес к радиопоглощающим материалам возрос в 70-е годы, когда администрация США объявила о программе разработки «невидимого» бомбардировщика (программа Stealth). В 80-е годы такие материалы уже используются в самолетах B-2 и F-117 и самолетах повышенной скрытности ATF ВВС США, ATA ВМС США, английском EFA, французском Rafale и пр. В настоящее время в данной области работают много отечественных и зарубежных фирм, но судить о результатах их работ довольно сложно, вследствии крайне малого количества публикуемых данных о новых радиопоглощающих материалах и особенно мало об их радиотехнических характеристиках и свойствах.

В последнее время (в 90 гг. прошлого века) появились принципиально новые виды радиопоглощающих материалов, такие как: проводящие полимеры, углеродные нанотрубки, наноструктурные КМ, позволяющие создавать тонкие легкие широкополосные радиопоглотители электромагнитных волн с коэффициентом отражения R10 дБ в диапазоне частот от 2,6 до 38 ГГц, имеющие высокую проводимость в пределах 1103 (Омсм)-1. В электродинамике такие материалы классифицируются как низкоимпедансные. Низкоимпедансные КМ (НКМ) по своим электрическим свойствам относятся к диэлектрическим материалам, которые характеризуются большими значениями относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tg одновременно. Эти материалы образуют особую группу диэлектрических материалов. По технологии изготовления НКМ обладают большим затуханием электромагнитной энергии до 70 дБ/мм по толщине в широком диапазоне частот. НКМ по своей сути являются радиозащитными материалами.

Одним из представителей такого класса КМ являются углеродосодержащие материалы – углепластики, по своим электрическим свойствам это диэлектрики, имеющие высокое значение проводимости. Углепластики широко применяются в военной технике как конструкционные материалы для создания несущих конструкций, и как радиотехнические материалы: для уменьшения эффективной отражающей поверхности летательных аппаратов, кораблей; для защиты радиотехнических систем от мощных электромагнитных излучений. Они хорошо зарекомендовали себя в новых разработках в качестве защитных укрытий от новых видов вооружений, типа лазеров, пучкового оружия и т.д. Особенность углеродосодержащих материалов заключается в том, что падающая на них электромагнитная волна распространяется по их поверхности, тем самым, замедляя процесс прожигания материала в глубину.

Для НКМ в настоящее время нет единой сложившейся электродинамической теории описания свойств, методик и измерительных средств для контроля их диэлектрических характеристик в процессе производства и эксплуатации. Существующие традиционные косвенные методы и методики измерения электродинамических характеристик диэлектриков на СВЧ для НКМ не пригодны из-за большой неопределенности итогового результата, который соизмерим с промахом. Основными причинами больших неопределенностей являются сильно упрощенные математические модели; из-за сильной почти вертикальной зависимости диэлектрической проницаемости НКМ от значений комплексного коэффициента отражения. При проектировании новых радиотехнических систем разработчикам необходимо знать параметры НКМ, так как от характеристик выбранного материала зависят защищенность и жизнеспособность системы. Поэтому с появлением новых технологий изготовления принципиально новых НКМ еще сильнее возникает необходимость создания новых методик и средств контроля комплексной НКМ с целью повышения качества изделий из НКМ. НКМ имеют большой диапазон значений , широкий частотный диапазон эксплуатации. Для всего частотного диапазона НКМ необходимо создать комплекс измерительных средств, методик измерений, новых образцовых мер, созданных на основе традиционных косвенных методов. Это может достигаться путем модернизации существующих методов и путем создания новых методов и средств неразрушающего контроля низкоимпедансных композиционных материалов.

Целью диссертационной работы является решение важной научной проблемы по повышению качества радиоволновых методов и средств неразрушающего контроля диэлектрических параметров низкоимпедансных композиционных материалов, применяемых в качестве защитных укрытий, обладающих большими значениями относительной диэлектрической проницаемостью и большими потерями одновременно на СВЧ.

Задачи исследования. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Проведение сравнительного анализа и исследование применимости традиционных радиоволновых методов, метрологической аппаратуры, методик измерения традиционных методов непосредственно к измерению диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

2. Разработка электродинамической теории для описания работы волноводных, резонаторных измерительных датчиков, участвующих в процессе измерения диэлектрических характеристик низкоимпедансных композиционных материалов, дающей меньшую неопределенность значений диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

3. Проведение анализа и исследование влияния шероховатой поверхности образца измеряемого низкоимпедансного композиционного материала на точность измерения комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов. Разработка методов по ее учету в процессе обработки результатов измерений.

4. Разработка адекватных электродинамических моделей низкоимпедансных композиционных материалов, описывающих все диэлектрические свойства НКМ в процессе взаимодействия с электромагнитной волной в строгой электродинамической постановке, выделение основных факторов, несущих информацию о комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого образца низкоимпедансного композиционного материала в процессе взаимодействия электромагнитной волны с измеряемым материалом.

5. Разработка принципиально новых конструкций измерительных датчиков для проведения контроля комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

6. Разработка методов по построению конструкций измерительных волноводных, резонаторных датчиков и методик выполнения измерений комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов.

7. Разработка и создание новых образцовых мер для контроля комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов, обладающих шероховатой поверхностью, разработка методов изготовления, аттестации и контроля их точности.

Методы исследований. Основные теоретические результаты работы базируются на математических методах электродинамики: аппарате интегральных и дифференциальных исчислений; теории уравнений Максвелла; аналитических методах; методах статистической обработки результатов экспериментов; численных методах математической физики и вычислительной математики. Достоверность основных теоретических положений и выводов подтверждено экспериментально.

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие результаты работы:

1. Созданы новые теоретические и практические основы радиоволновых методов неразрушающего исследования и контроля электродинамических свойств низкоимпедансных композиционных материалов на основе волноводных, резонаторных и радиоволновых измерительных датчиков.
2. Созданы новые конструкции измерительных волноводных и резонаторных датчиков. Разработаны методы по их созданию для проведения контроля диэлектрических характеристик низкоимпедансных композиционных материалов.
3. Создана новая метрологическая база промежуточных образцовых мер, учитывающая шероховатую поверхность измеряемого образца низкоимпедансного композиционного материала.
4. Проведен контроль диэлектрической проницаемости образцов низкоимпедансных композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность и большие значения диэлектрической проницаемости на СВЧ.
5. Дана оценка вклада шероховатой поверхности измеряемого низкоимпедансного композиционного материала, влияющая на точность в процессе измерения комплексной диэлектрической проницаемости и в процессе обработки результата измерений.
6. Получены новые данные комплексной диэлектрической проницаемости для ряда новых материалов, типа углепластиков радиотехнического назначения, имеющих шероховатую поверхность. На основе разработанной методологии экспериментально исследованы низкоимпедансные композиционные материалы.

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что усовершенствованны радиоволновые методы неразрушающего контроля, разработаны новые метрологические средства, промежуточные образцовые меры и методики, позволяющие производить контроль, исследования и измерения относительной диэлектрической проницаемости существующих и новых низкоимпедансных композиционных материалов, имеющих шероховатую поверхность и большие значения комплексной диэлектрической проницаемости с повышенной достоверностью; получены новые данные относительной диэлектрической проницаемости для ряда специальных материалов. Результаты выполненных исследований представляют интерес для разработчиков защитных укрытий радиотехнических систем от воздействия мощных электромагнитных импульсов, для оценки свойств низкоимпедансных материалов, а также непосредственно производителям низкоимпедансных материалов для контроля параметров материалов в процессе их производства.

Положения, выносимые на защиту. Проведенные исследования позволили теоретически обосновать и практически реализовать новые научные положения и результаты, выносимые на защиту:

На защиту выносятся следующие положения:

1. новая обобщенная электродинамическая модель низкоимпедансных композиционных материалов для проведения контроля комплексной диэлектрической проницаемости косвенными методами;
2. новые математические модели измерительных датчиков для контроля комплексной относительной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных материалов волноводными и резонаторными методами в строгой электродинамической постановке;
3. новый математический аппарат прикладной электродинамики для анализа электродинамических характеристик низкоимпедансных композиционных материалов, измеряемых с помощью волноводных и резонаторных измерительных датчиков;
4. новая электродинамическая модель шероховатой поверхности для контроля характеристик низкоимпедансных материалов, участвующая в процессе обработки результатов измерения комплексной диэлектрической проницаемости НКМ;
5. новые конструкции волноводных и резонаторных измерительных датчиков, реализующих распределенное взаимодействие электромагнитной волны с низкоимпедансным композиционным материалом и способы их изготовления;
6. новые промежуточные образцовые меры для повышения точности проведения контроля комплексной диэлектрической проницаемости низкоимпедансных композиционных материалов и способы их изготовления.

Достоверность результатов диссертационной работы базируется на строгих теоретических подходах, адекватных математических моделях измерительных датчиков, построенных на их основе, которые подтверждены теоретическими и экспериментальными исследованиями, проведенными автором при измерении новых и существующих образцов НКМ. Разработанные измерительные датчики и методики контроля использовались в опытно-конструкторских работах, что позволило обеспечить надежную защиту радиотехнических систем.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на I, III Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» г. Ульяновск 1998, 2001г; на секциях школы-семинара, проводимой в рамках Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997 - 2000 годы» г. Ульяновск 1999, 2004г.; на 8-ой и 9-ой международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды.» г. Ульяновск 2000, 2004г.; на III международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов.» г. Волгоград 2004г.; на XXVII Российской школы, посвященной 150-летию К.Э. Циолковского, 100-летию С.П. Королева и 60-летию Государственного ракетного центра «КБ им. Академика В.П. Макеева» г. Миасс 2007г., на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников УлГТУ 1997-2004г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 печатных трудов, в том числе 1 монография, 7 научных статьи в центральных периодических журналах, рекомендуемых Высшей аттестационной комиссией для публикации основных материалов диссертаций, представляемых на соискание ученой степени доктора наук, 11 патентов РФ на изобретения, 7 статей в сборниках научных трудов институтов и университетов, 20 тезисов и докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объем диссертации 259 страниц и список используемых источников из 263 наименований. В состав основной части входят 80 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель работы и определены задачи исследований, решаемые в диссертационной работе, сформулированы основные положения выносимые на защиту, приведены сведения о структуре работы.

В первой главе производится анализ применимости существующих традиционных методов измерения диэлектрической проницаемости на СВЧ для НКМ.

По проведенному анализу установлено, что НКМ разрабатывались как радиотехнические поглощающие материалы для снижения уровня отраженного сигнала. По технологии изготовления и по своим электрическим свойствам НКМ относятся к диэлектрическим материалам, которые характеризуются одновременно большими значениями диэлектрической проницаемости , тангенсом угла диэлектрических потерь tg. Значения этих величин определяются технологией изготовления НКМ. НКМ имеют сложную внутреннюю структуру (многослойную, многомерную, пористую) и одновременно обладают хорошими радиотехническими (высокий коэффициент отражения, большое значение комплексной диэлектрической проницаемости ) и механическими (жаростойкость, высокая прочность, малая плотность, высокая химическая стойкость и др.) характеристиками. По своим свойствам НКМ существенно отличаются от традиционных диэлектрических материалов, поэтому проведение контроля НКМ традиционными методами и средствами измерения является проблематичным.

На СВЧ измерение традиционных диэлектрических материалов производится косвенными методами: волноводными, резонаторными и радиоволновыми. Как следует из проведенного обзора, измерения материалов подобных НКМ производилось в единичных случаях, в узкой полосе частот. Для полного анализа возможности применимости косвенных методов для контроля НКМ производится подробное рассмотрение применяемости каждого метода.